Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị hạn chế quá trình quá độ trong đóng cắt thiết bị bù động trên lưới điện phân phối

SCIENCE TECHNOLOGY<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ HẠN CHẾ<br /> QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ TRONG ĐÓNG CẮT THIẾT BỊ BÙ ĐỘNG<br /> TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI<br /> INVESTIGATE, DESIGN ANG FABRICATE REDUCED TRANSIENT PHENOMENA APPARATUS<br /> FOR CAPACITOR SWITCHING ON DISTRIBUTION NETWORK<br /> Trần Thanh Sơn<br /> <br /> lớn đến chất lượng điện năng và qua đó làm giảm tuổi thọ<br /> TÓM TẮT<br /> của các thiết bị kết nối vào lưới, đồng thời giảm độ tin cậy<br /> Chất lượng điện năng là một trong những yếu tố ảnh hưởng lớn tới tuổi thọ cung cấp điện. Chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp<br /> của thiết bị và chất lượng của sản phẩm, đặc biệt là các thiết bị chứa các linh kiện điện đang là hai vấn đề mà Tập đoàn Điện lực Việt Nam rất<br /> điện tử - các phần tử nhạy cảm với điện áp của nguồn điện. Trên lưới điện phân quan tâm để đảm bảo. Thêm vào đó với sự gia tăng của các<br /> phối hiện nay có lắp đặt nhiều tụ bù theo cấp nên việc đóng cắt các thiết bị này thiết bị nhạy cảm với điện áp, việc đảm bảo chất lượng điện<br /> thường xuyên gây ra quá trình quá độ, ảnh hưởng tới chất lượng điện áp và gây áp ngày càng phải được tập trung nghiên cứu.<br /> hậu quả là giảm tuổi thọ của thiết bị hoặc làm giảm chất lượng của sản phẩm. Do<br /> Nhiều tác giả tập trung nghiên cứu vấn đề quá độ điện<br /> đó bài báo này giới thiệu một nghiên cứu ứng dụng bao gồm thiết kế, chế tạo<br /> một thiết bị hạn chế dạo động quá độ sử dụng điện trở đóng trước khi đóng cắt áp và dòng điện trên lưới phân phối khi đóng cắt hệ thống<br /> các tụ bù hạ thế. Các kết quả mô phỏng bằng EMTP và thực nghiệm đã chỉ ra hiệu tụ bù [1-4], các kết quả đã chỉ ra sự ảnh hưởng lớn của việc<br /> quả của thiết bị trong việc hạn chế mức độ quá điện áp khi đóng các tụ bù. Thiết đóng cắt này tới chất lượng điện năng. Các tác giả cũng<br /> bị này từ đó có thể được ứng dụng rộng rãi trên lưới điện phân phối tại Việt Nam. nghiên cứu các giải pháp để hạn chế quá điện áp và quá<br /> dòng, trong đó ba giải pháp chính được đưa ra là sử dụng<br /> Từ khóa: Quá điện áp, chất lượng điện năng, đóng cắt tụ bù, điện trở đóng điện trở, sử dụng điện kháng và đóng cắt khi dòng qua điểm<br /> trước, EMTP. 0. Nghiên cứu ảnh hưởng của đóng cắt tụ tại các vị trí khác<br /> ABSTRACT nhau trên lưới phân phối và tập trung tại các điểm phụ tải<br /> Power quality is an important factor that affects the life time of electrical bằng chương trình quá độ điện từ EMTP (Electromagnetic<br /> devices and product quality, especially the devices within integrated electronic Transient Program) được báo cáo trong [5].<br /> elements - which is sensitive to the voltage source. Capacitors are usally installed Tuy nhiên các nghiên cứu này mới chỉ dừng ở lý thuyết<br /> in distribution network for reactive power compensation, so that transient mà chưa có các ứng dụng thực tế. Chính vì vậy, tác giả bài<br /> phenomena appears frequently during capacitor switching. As a result, the life báo này đã tiến hành nghiên cứu không chỉ giới hạn về mặt lý<br /> time and the quality of product could be reduced due to the this dark side. This thuyết mà còn thực hiện công việc thiết kế, chế tạo thiết bị<br /> paper presents an application study based on design and fabrication of a reduced hạn chế quá trình quá độ khi đóng cắt tụ bù hạ thế. Các kết<br /> transient phenomena apparatus using pre-inserted resistor for low voltage quả nghiên cứu bằng mô phỏng và thực nghiệm đã chỉ ra<br /> capacitor switching. Simulation by EMTP and experimental results showed that hiệu quả của thiết bị trong việc hạn chế quá điện áp khi đóng<br /> overvoltages were suppressed by using this apparatus which can be therefore cắt các tụ bù hạ thế. Trên cơ sở đó, thiết bị này có thể được<br /> applied widely in Vietnam distribution network. chế tạo và sử dụng rộng rãi trên lưới điện phân phối hạ áp.<br /> Keywords: Overvoltage, power quality, capacitor switching, pre-inserted 2. CẤU TẠO CỦA THIẾT BỊ HẠN CHẾ QUÁ ĐỘ KHI ĐÓNG<br /> resistor, EMTP. CẮT TỤ BÙ<br /> Trường Đại học Điện lực 2.1. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị<br /> Email: sontt@epu.edu.vn Thiết bị hạn chế hiện tượng quá độ khi đóng tụ hạ thế<br /> Ngày nhận bài: 18/2/2019 được chế tạo trong nghiên cứu này sử dụng điện trở đóng<br /> Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 15/4/2019 trước. Sự bổ sung điện trở đóng trước sẽ làm giảm quá độ<br /> Ngày chấp nhận đăng: 25/4/2019 do năng lượng được tiêu tán trong điện trở. Mức tiêu thụ<br /> năng lượng cao của điện trở sẽ làm giảm biên độ của dòng<br /> và áp quá độ và dập tắt nhanh các dao động. Sơ đồ công<br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> nghệ của thiết bị hạn chế dao động quá độ khi đóng tụ<br /> Với sự gia tăng của số lượng và dung lượng bù ngày càng được giới thiệu trên hình 1.<br /> tăng, việc đóng cắt trực tiếp các thiết bị bù sẽ ảnh hưởng rất<br /> <br /> <br /> Số 51.2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 19<br />  KHOA HỌC CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Các phần tử của sơ đồ này được thiết kế như sau: Lúc này có thể coi tụ C hợp với điện cảm L của máy biến<br />  Các bình tụ hạ áp ba pha, số lượng bình tụ tùy thuộc áp tạo thành mạch L-C có tổng trở sóng = . Điện<br /> ụ<br /> theo nhu cầu bù hệ số công suất yêu cầu;<br /> trở đóng trước được đặt nối tiếp với các tụ điện được chọn<br />  Phần tử giám sát hệ số công suất, lấy tín hiệu dòng<br /> có giá trị bằng tổng trở sóng của mạch điện.<br /> điện và điện áp của lưới điện;<br /> 2.3. Thiết kế thông số kỹ thuật<br />  PLC điều khiển đóng, cắt tụ và điện trở đóng trước<br /> theo thuật toán được cài đặt; Từ sơ đồ nguyên lý nêu trên, tủ tụ bù hạ thế dung lượng<br /> bù 60kVar tích hợp thiết bị hạn chế dao động quá độ khi<br />  Modem 3G để hiệu chỉnh cài đặt thông số vận hành từ xa; đóng cắt tụ được thiết kế, chế tạo với mục đích sử dụng<br /> A cho các trạm biến áp hạ thế hoặc các phụ tải cần bù hệ số<br /> B công suất. Hình ảnh thiết bị được giới thiệu trên hình 3.<br /> C<br /> Bảng 1 giới thiệu các thông số chính của các phần tử<br /> Điện trở N<br /> đóng trước Áptomát của tủ.<br /> <br /> Phần tử đo<br /> hệ số công<br /> suất<br /> Modem PLC<br /> 1 cấp tụ 15kVAr 3G<br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ công nghệ của thiết bị hạn chế dao động quá độ khi đóng tụ<br /> bù hạ thế<br />  Các khởi động từ điều khiển bởi PLC để đóng cắt tụ<br /> và điện trở đóng trước;<br />  Điện trở đóng trước với trị số được lựa chọn phù hợp<br /> với trị số điện dung của các bình tụ;<br />  Áp tô mát tổng.<br /> 2.2. Lựa chọn giá trị của điện trở đóng trước<br /> Kịch bản nguy hiểm nhất cho sự vận hành đóng tụ điển<br /> hình là sự năng lượng hóa tụ tại điện áp cực đại của hệ<br /> thống. Khi năng lượng hóa tụ tại điện áp đỉnh, điện áp quá<br /> độ có thể đạt đến hai lần điện áp vận hành, tuy nhiên các<br /> tổn thất mang tính trở trong mạch điện sẽ làm giảm một<br /> phần biên độ điện áp quá độ.<br /> Hiện tượng dao động do quá độ khi đóng tụ là kết quả Hình 3. Tủ tụ bù tích hợp thiết bị hạn chế dao động quá độ khi đóng cắt tụ<br /> của sự trao đổi năng lượng giữa các phần tử cảm kháng và<br /> Bảng 1. Các phần tử để chế tạo tụ bù<br /> dung kháng trong mạch điện. Năng lượng tích trữ trong<br /> các phần tử tụ (1/2CU2) chảy qua phần tử mang tính cảm Phần tử Hãng sản xuất Thông số chính<br /> (1/2LI2). Bình tụ ba pha hạ áp Nuintek 15 kVar/bình<br /> Sự dao động quá độ xuất hiện trong quá trình đóng tụ Điện trở đóng trước Việt Nam 30 Ω/pha<br /> có tần số được tính theo công thức: PLC Siemens S1200<br /> 1 (1) Khởi động từ LS 50 A<br /> = Áp tô mát LS 50 A<br /> 2<br /> Các thông số vận hành của tủ tụ bù tích hợp thiết bị hạn<br /> Trong đó, LS là điện cảm của hệ thống, C là điện dung<br /> chế dao động quá độ được trình bày trong bảng 2.<br /> của bộ tụ đang xem xét.<br /> Bảng 2. Thông số vận hành của tủ tụ bù tích hợp thiết bị hạn chế dao động<br /> Trên thực tế, tụ bù hạ thế được lắp đặt tại trạm biến áp<br /> quá độ khi đóng cắt tụ<br /> phân phối như mô tả như trên hình 2.<br /> Thiết bị hạn chế quá trình Đơn vị đo Giá trị<br /> quá độ khi đóng cắt tụ bù<br /> Điện áp ba pha V 380<br /> Tần số Hz 50<br /> Dòng điện định mức A 50<br /> Hình 2. Sơ đồ lắp đặt tụ bù hạ thế Công suất tụ kVAr 60<br /> <br /> <br /> <br /> 20 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 51.2019<br />  SCIENCE TECHNOLOGY<br /> <br /> Số cấp tụ Cấp 4 Bảng 3. Hàm lượng hài bậc 3, bậc 5 và bậc 7 khi đóng tụ trực tiếp và đóng<br /> Hiệu quả hạn chế quá điện áp Pu 10 000 Đóng qua điện trở Đóng trực tiếp tụ<br /> 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Bậc 3 8,79 14,9<br /> Tủ tụ bù tích hợp thiết bị hạn chế dao động quá độ khi Bậc 5 8,79 14,8<br /> đóng cắt tụ được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm sử Bậc 7 8,82 15,6<br /> dụng thiết bị kiểm toán năng lượng Hioki PW3198 để kiểm Hơn nữa, thực hiện phân tích phổ sóng hài bậc 3, bậc 5<br /> chứng hiệu quả của giải pháp. và bậc 7 của điện áp dây UAB khi đóng tụ trực tiếp và đóng<br /> 420 tụ qua điện trở, ta nhận được kết quả như trên hình 5 và<br /> bảng 3.<br /> 415 Điện áp UAB khi đóng tụ trực tiếp<br /> Trị hiệu dụng của điện áp dây (V)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 410<br /> Từ các kết quả này có thể thấy rằng thiết bị hạn chế quá<br /> Điện áp UAB khi đóng tụ qua điện trở trình quá độ khi đóng cắt tụ có hiệu quả trong việc loại trừ<br /> 405<br /> quá điện áp và giảm hàm lượng sóng hài của lưới điện khi<br /> 400<br /> xảy ra chuyển mạch các tụ bù hạ áp.<br /> 395<br /> 4. KẾT LUẬN<br /> 390<br /> Thiết bị hạn chế quá trình quá độ khi đóng cắt tụ bù sử<br /> 385<br /> dụng điện trở đóng trước được nghiên cứu, chế tạo và thử<br /> 380 nghiệm. Kết quả thực nghiệm cho thấy thiết bị đã giảm<br /> 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37<br /> được đáng kể dao động điện áp và lượng sóng hài khi đóng<br /> Số lượng điểm lấy mẫu<br /> tụ. Thiết bị có thể ứng dụng trên lưới điện phân phối hạ thế<br /> Hình 4. Điện áp dây trên thanh cái của tủ tụ bù khi đóng tụ qua điện trở và để nâng cao chất lượng điện năng, hiệu suất của các thiết<br /> đóng trực tiếp bị và nâng cao tuổi thọ của các bộ tụ bù và các thiết bị điện<br /> Trước hết cần lưu ý rằng thiết bị kiểm toán năng lượng khác vận hành trên lưới.<br /> chỉ cho phép đo lường trị số hiệu dụng của điện áp dây theo LỜI CẢM ƠN<br /> thời gian. Hình 4 giới thiệu kết quả đo lường trị số hiệu dụng Tác giả bài báo trân trọng cảm ơn Vụ Khoa học và Công<br /> điện áp dây UAB khi thực hiện thí nghiệm đóng trực tiếp một nghệ - Bộ Công Thương đã hỗ trợ kinh phí và các đồng<br /> bình tụ 15kVAr và đóng bình tụ này qua điện trở 30Ω. nghiệp TS Trần Anh Tùng, TS Phạm Mạnh Hải, TS Nguyễn<br /> Kết quả cho thấy đối với trường hợp đóng tụ trực tiếp, Đức Quang, TS Vũ Thị Thu Nga và TS Đặng Thu Huyền hỗ<br /> khi đóng điện áp tăng từ 387V lên 410V (tăng khoảng 6%), trợ thực hiện nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị này.<br /> sau khoảng 1 thời gian ngắn thì quá trình quá độ kết thúc,<br /> điện áp được ổn định ở mức 389V. Trong khi đó nếu ta thực<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> hiện đóng qua điện trở thì điện áp bị giảm từ 394V xuống<br /> [1]. D. T. Rizy, E. W. Gunther and M. F. McGranaghan, 1987. Transient and<br /> 389V và sau đó tăng lên 395V. Trong trường hợp đóng qua<br /> Harmonic Voltages Associated with Automated Capacitor Switching on Distribution<br /> điện trở mức độ dao động điện áp là 1,7%.<br /> Systems,. in IEEE Transactions on Power Systems, vol. 2, no. 3, pp. 713-723.<br /> Như trình bày ở trên, thiết bị đo là Hioki PW3198 có hạn [2]. T. E. Grebe, 1996. Application of distribution system capacitor banks and<br /> chế về thời gian lấy mẫu cũng như chỉ đo được giá trị hiệu their impact on power quality. in IEEE Transactions on Industry Applications, vol.<br /> dụng nên kết quả chỉ cho thấy một phần tác dụng của thiết 32, no. 3, pp. 714-719.<br /> bị thiết kế. Trên thực tế, nếu đóng trực tiếp điện áp còn có [3]. C. J. Dafis, C. O. Nwankpa and A. Petropulu, 1999. A study on the<br /> nhiều dao động với mức độ xung lớn hơn nhiều so với giải prediction of capacitor-switching transient times. 1999 IEEE Power Engineering<br /> pháp thiết kế [4,5]. Society Summer Meeting. Conference Proceedings (Cat. No.99CH36364),<br /> 18 Edmonton, Alta., pp. 806-811 vol.2.<br /> Đóng qua điện trở<br /> 16 Đóng trực tiếp tụ [4]. Denis V Coury, Cláudio José dos Santos, Mário Oleskovicz, Maria Cristina<br /> 14<br /> Tavares, 2003. Transient analysis concerning capacitor bank switching in a<br /> UAB THD (%)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 12<br /> distribution system. Electric Power Systems Research, Volume 65, Issue 1, Pages<br /> 10 13-21, ISSN 0378-7796.<br /> 8<br /> [5]. Durga Bhavani Mupparty, 20011. Capacitor Switching transient<br /> 6<br /> modelling and analysis on an electrical utility distribution system using Simulink<br /> 4<br /> software. Master's theses.<br /> 2<br /> 0<br /> 1 3<br /> Bậc 2 5<br /> Bậc 3 7<br /> Bậc AUTHOR INFORMATION<br /> Hình 5. Phổ sóng hài trong điện áp dây UAB khi đóng tụ trực tiếp và đóng tụ Tran Thanh Son<br /> qua điện trở Electric Power University<br /> <br /> <br /> <br /> Số 51.2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 21<br />